JP2006235245A - フェルール型光部品とそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来のフェルール型光部品は、ＧＩファイバとシングルモードファイバ等の他のファイバと融着接続したものを用いる為、加工・製作に手間がかかり、又レンズ機能が片端にしかなく、光学素子を用いたインライン型光部品を構成する際、レンズ機能素子として、汎用性が乏しい。等の課題があり、より汎用性のある使い方ができるフェルール型光部品を実現する。
【解決手段】クラッド部を露出したＧＩファイバをフェルールの貫通孔内に実装固定したフェルール型光部品において、上記ＧＩファイバは入射する光が収束光として出射可能な長さであり、ＧＩファイバの両端面がフェルールの両端面と同一面であることとしたこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信用部品、または光センサ等に使用されるフェルール型光部品とそれを用いた光モジュールに関する。

光通信用機器の光回路の小型・集積化に向けて、その接続用に各種の光通信用コネクタに使用されている。

図７は、本発明者の光コネクタ用に使用するフェルール型光部品の従来例で、ジルコニア製セラミック、ＳＵＳ、ガラス材料等から構成される精密加工されたフェルール４内に、外径１２５μｍのクラッド部を露出しＧｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘファイバ（以後、略してＧＩファイバ）にシングルモードファイバ又はコアレスファイバ等を融着接続したものを実装固定、フェルール４の両端をＰＣ研磨などにより、精密研磨加工したものである。

ＧＩファイバ側のレンズ機能を用いて、半導体レーザと直接接続する事が可能で、それを２個用意し、コアレスファイバ側間に光学素子を設置することにより、インライン型光部品の機能を構成することが容易にできるものである。

しかし、ＧＩファイバと、シングルモードファイバ、コアレスファイバ等を融着接続し、接続用ファイバには、内部で融着接続したシングルモードファイバ又はコアレスファイバ等、同様なファイバを対向して使用しなければならず、特に光学素子を用いたインライン型光部品を構成するには、対向端面側にも同様にコアレスファイバを用いた光部品を用意しなければならず、部品点数が多くなる。

以上、従来のフェルール型光部品の課題をまとめると
（１）従来のレンズ機能を有するフェルール型光部品は、ＧＩファイバとシングルモードファイバ等の他のファイバと融着接続したものを用いる為、加工・製作に手間がかかる。

（２）レンズ機能が片端にしかなく、光学素子を用いたインライン型光部品を構成する際、部品点数が増大し、レンズ機能素子として、汎用性が乏しい。

（３）他のファイバと融着接続したものをフェルール内に実装固定する為、長さが長くなり、レンズ機能部品として独立した使用が困難。

等の課題があり、より汎用性のある使い方ができるフェルール型光部品の実現が望まれる。

上記課題を解決する為、本発明のフェルール型レンズは、クラッド部を露出したグレーテッドインデックスファイバをフェルールの貫通孔内に実装固定したフェルール型光部品において、上記グレーテッドインデックスファイバの長さは該グレーテッドインデックスファイバに入射した光が収束光として出射可能な範囲であり、かつグレーテッドインデックスファイバの両端面が上記フェルールの両端面と同一面であることとしたことを特徴とする。

さらに上記フェルールの一方端面が球面状、楔状、傾斜面状のいずれかであることを特徴とする。

さらに上記フェルールの他方端面に光学素子を実装したことを特徴とする。

さらに上記グレーテッドインデックスファイバ内に位相格子を光軸に対して斜めに構成したことを特徴とする。

さらに上記フェルール型光部品をスリーブ内又は基板上に実装固定し、他のフェルール端との接続を可能にしたことを特徴とする。

上記手段を実施することにより、本発明のフェルール型レンズとそれを用いた光接続部は、以下のような優れた効果がある。

（１） 単体フェルール内にＧＩファイバのみを挿通、固定、端面を研磨加工することによりコネクタ接続可能な小型レンズ素子として容易に加工、構成することができる。

（２） フェルールを研磨することによりＧＩファイバ長（レンズ長）を調整し、必要な焦点距離、作動距離を得ることができ、必要とされるレンズに加工することができる。

（３） 必要に応じ、結合するものに合わせ、片側端面又は両端面を傾斜面、球面、楔状に加工し、汎用性のあるレンズとして加工構成することができる。

（４） 片端に光学素子を接合することにより、機能を容易に付加することができる。

次に本発明によるフェルール型光部品について、詳細に説明する。

図１は、本発明によるフェルール型光部品５の実施形態の断面図で、保護被覆を剥がし、クラッド６を露出したＧＩファイバ２を、フェルール１内に実装固定して、必要な長さにフェルール両端面を研磨したことを特徴とするフェルール型光部品５である。

図１（ａ）は、ＧＩファイバ２をフェルール１内部に保持した構成のもので、両端面４を平面状に研磨構成し、両端に光学素子７を装着、他のフェルールと接続でき、コネクタ接続に適したものである。

図１（ｂ）は片側端面を傾斜角Θで平面研磨し、端面反射を防止できるもので導体レーザと直結でき、空間結合に適したものである。又傾斜した端面４に光学素子７を装着することもできる。

図１（ｃ）は片側端面を半径Ｒの球状に研磨したもので、ＧＩファイバ２を用いたレンズの開口数を増大させることができ、半導体レーザ９との接続などで、結合効率の向上を図ることができ、空間接続に適したものである。

図１（ｄ）は、片側の端面４を楔状に構成したもので、入出射光の結合焦点に非点収差を生じさせることで、半導体レーザと高結合させるのに適したものである。

ＧＩファイバ２は、そのコア１１において、中心軸から徐々に屈折率が下がるような軸対称の屈折率分布をもつ光ファイバで、ほぼ２乗の屈折率分布をもつものである。

例えば、ＧＩファイバ１のコア１１の半径方向の屈折率分布ｎ_（ｒ）とすると、ｎ_（ｒ）＝ｎ_０（１−Ａ／２ｒ^２） （ａ≧ｒ≧０） ｎ_０：コア光軸上の屈折率 Ａ：収束定数 ａ：コアの半径 又、収束定数Ａは、Ａ＝｛α・（α―１）・Δ｝／（ａ）^α α：屈折率分布定数（通常は、２前後） Δ：ＧＩファイバの比屈折率 Δ＝｛ｎ_０―n_（ａ）｝／ｎ_０ ｎ_（ａ）：ＧＩファイバのコア外周面の屈折率で示すことができる。

それを必要な長さＺで切断することにより、屈折率分布型レンズとして使用することができる。

図２は、ＧＩファイバ２内の光線追跡の例を示したもので、コア径２ａ、クラッド径Ｃｄのものである。ＧＩファイバ２のコア１１内で、ほぼサインカーブの挙動を示し、その横軸の単位長さをピッチ（Ｐ）で表したもので、縦軸はＧＩファイバ１内での光線の位置を示し、最も光線が広がった位置を１として図示したものである。尚、Ｐ＝１は、サインカーブの１周期（２π）に相当する。

その周期Ｐ及びレンズ長Ｚは、Ｐ＝２π／√Ａ Ｚ＝２πＰ／√Ａで示され、ＧＩファイバ端面と焦点間の距離をｆとすると、ｆ＝１／｛ｎ０・√Ａ・ｔａｎ（√Ａ・Ｚ）｝で示される。

ここで、点光源から平行光に変換するにはＰ＝０．２５ の長さのものを使用すればよい。Ｐ＝０．５の長さは、各端面間で焦点を結ぶレンズとなる。レンズとして必要な焦点距離を得るには、Ｐ＝０．１近傍からＰ＝０．５の間の長さであれば足りる。

図３は、Ｐ＝０．０５〜０．３のＧＩファイバに平行光を入射させた場合の焦点距離ｆの値を示したものである。ＧＩファイバの比屈折率Δの値が大きい方が焦点距離ｆが小さく、即ちＮＡが大きくなり、焦点でのスポット径も絞ることができる。コア径の小さなファイバと接続する場合、Δ値の大きなＧＩファイバ２を用いればよいことがわかる。

図４は、本発明のフェルール型光部品の片端に光学素子７を密着した構成のものである。

光学素子７としては、例えば光アイソレータ素子、フィルター素子、ファラデー回転子、偏光子、回折格子、全反射ミラーなどがあり、複数の光学素子７を積層して用いてもよく、用途により選択すればよい。

図４（ａ）の実施形態は、フェルール型光部品５の片側端面に光学素子７として、例えば光アイソレータ素子を装着した構成のものである。この場合、半導体レーザ１２と片側傾斜端面４で直接結合することができ、端面反射、反射戻り光などの不要光を除去し、半導体レーザ９を安定に動作させることができる。

図４（ｂ）の実施形態は、ＧＩファイバ２内に周期的な屈折率変動をもつ位相格子を形成したものである。それによりある特定波長の光を反射又は遮断することができるものである。半導体レーザ９の外部変調器として作用、又は反射型フィルターとして機能することができる。

通常ＧＩファイバ２のコア内に光軸に対し垂直にファイバコア内に周期的な屈折率変化を形成したもので、通常位相マスクの上から紫外線を照射して製作される。そのプロセスは、位相格子８の周期をΛ(格子)、使用する位相マスクの周期をΛ(MASK)とすると、Λ(MASK)＝２×Λ(格子)の関係にある。位相格子８は、ＵＶ光などの紫外線をマスクを介してＧＩファイバコアの部分に照射することにより部分的に屈折率を上昇させることにより形成したものである。マスクによる照射時にＧＩファイバ２を僅かω傾斜させることで、ファイバ光軸に対してω傾斜して構成することができる。

図４（ｂ）のＡ部詳細に示したように各位相格子をＧＩファイバ２の光軸に垂直に構成した場合、各位相格子８間で屈折率差によるフレネル反射光１６による多重反射と共振により不要なサイドモードが発生し、スペクトラム特性１に示したような特性になる。位相格子８をＧＩファイバ２の光軸の垂直方向に対しω傾斜して形成することにより、フレネル反射光１６がファイバ光軸に対し２ωで反射、各位相格子８間で多重反射及び共振が生ぜず、スペクトラム特性２のような不要なサイドモードの無い特性が得られる。ωの角度は、ｓｉｎ^―１（２Δ）^１／２＞２ω＞０°の範囲が適切である。それ以上の角度の場合、反射回折光がクラッド側に放射、十分な回折効率がとれないからである。

図５は、本発明のフェルール型光部品の製造プロセスを示したものである。

図５（ａ）は、１本のＧＩファイバ２の保護被覆を被覆除去ジグにより所定の長さ剥がし、クラッド部を露出した状態にし、アルコールなどで洗浄する。

図５（ｂ）その露出したＧＩファイバクラッド部をファイバカッターにより必要な長さで垂直に切断する。

図５（ｃ）長フェルール１を準備、ＧＩファイバ２をその内部に挿通し、接着固定、それを複数個製作する。

又、ＧＩファイバ２のクラッド部外周にメタライズ加工を施し、Ａｕ・Ｓｎハンダ等によりフェルール１と固定してもよい。

図５（ｄ）ＧＩファイバ２を固定実装した長フェルール１を複数個固定ジグ上に整列設置、ダイシングマシンに整列した長いフェルール１からＧＩファイバを入射する光が収束光として出射可能な所定の角度と長さで一括して切断する。

図５（ｅ）研磨機により、ＧＩファイバの両端面とフェルールの両端面を同一面とし、傾斜面、球状などの所定の形状に加工整形する。

その後、必要により、各端面４にＡＲコート等を蒸着、又片端に光学素子７を装着する。

以上の工程により、本発明のフェルール型光部品５を製作することができる。

図６は、本発明のフェルール型光部品５を用いて、光モジュールを構成した場合の実施例である。

図６（ａ）は、スリーブ１０内に実装固定したフェルール型光部品５の両端に例えば光アイソレータ、フィルター機能をもつ光学素子７を装着した場合の実施例で、その両側をシングルモードファイバ１４を装着したフェルール１で接続固定することにより構成したものである。位置合わせ等のアライメントが不要なインライン型の小型光モジュールを手間のかかるアライメント無しに容易に実現することができる。フェルール型光部品５に使用するＧＩファイバ２のＰ値は、０．５近傍のものを使用し、光学素子７を介して、他の入出力用ファイバ１４を有する両側のフェルール１と密着接続される。光学素子７により必要な機能を付加することができる。

図６（ｂ）は、平面実装型半導体レーザモジュールに使用する基板１５にフェルール型光部品５を実装固定する場合の実施形態で、フェルール型光部品５を半導体レーザ１２と直接接続するのに使用したもので、端面４に光アイソレータ機能を有する光学素子７を出射端に装着し、他のフェルール１と接続構成したものである。これにより出射用光ファイバ１４を実装したフェルール１と密着接続することができ、実装アセンブリが容易にできる。

本発明のファイバ型光部品５もＰ値は０．５近傍のＧＩファイバ２を使用し、半導体レーザ１２と結合、アイソレータ機能を有する光学素子７を透過、出力用ファイバ１４を有するフェルール１と結合、レーザー光を出射する。出力用ファイバ１４からの反射戻り光などの不要光は、光学素子７の所で遮断、半導体レーザ１２は、安定して動作することができる。

本発明のフェルール型光部品５を実際に試作、評価を行った。試作評価モデルとして、以下のモデルを用いた。

（実施例１）
図６（ａ）に示したインライン型光モジュールの試作評価を行った。

使用したＧＩファイバ２は、コア径２ａ＝１０５μｍ、クラッド径Ｃｄ＝１２５μｍ、Δ＝０．０１、Ｐ＝０．４８のものを用い、フェルール１内に実装固定したものである。

光学素子７として外径１．２５ｍｍの両端を平面研磨した長さ２．２ｍｍのフェルール型光部品５に０．５ｍｍ角、厚さ約０．０５ｍｍのポリイミドフィルム製のバンドパスフィルタを接着固定したもので、それを外径２ｍｍの精密スリーブ１０内に設置固定、両端から平坦研磨した長さ５ｍｍのフェルール１にシングルモードファイバ１４を実装したもので接続固定したものである。

使用するバンドパスフィルタは、ポリイミド薄膜上に誘電体多層膜を蒸着することにより、形成される。内一つは、特性として波長１．４５μｍ以上の波長光を通過させ、それ以下の波長を遮断するものである。他は、波長１．５２μｍ以下の光を通過するものである。これにより、波長１．４５μｍ以上、１．５２μｍ以下の光を通過させるバンドパスフィルタを構成することができる。

本発明のフェルール型光部品５を用いることにより、長さ１５ ｍｍ、外径２．５ｍｍ（保護ケース込み）の小型低損失なインライン型光モジュールが実現できる。光学特性としては、挿入損失０．４ｄＢ、反射減衰量３５ｄＢのものである。

（実施例２）
図６（ｂ）に示した平面実装型の半導体レーザモジュールを試作評価した。半導体レーザ１２は、波長１．５５μｍ 出力５ｍＷ ファーフィールドパターンは、発光ピーク強度に対し１／ｅ２で３０度×５０度のものである。光学素子７は、光アイソレータ機能を有するもので、厚さ３００μｍの吸収型偏光子と厚さ３５０μｍファラデー回転子からなるものである。それをコア径２ａ＝１０５μｍ、クラッド径Ｃｄ＝１２５μｍ、Δ＝０．００２７、長さＰ＝０．２のＧＩファイバ２を、外径１．２５ｍｍ、長さ１ｍｍのフェルール１に実装したもので、入射端は、Ｒ＝５ｍｍの球状加工、出射端側は平面研磨し、前記光学素子７を設置したものである。

それに出射用ファイバ１４としてシングルモードファイバを実装したフェルール１と、基板１５上に形成したＶ溝を用いて接続固定したものである。ファイバ出射端で２．７ｍＷ程度の出力が得られた。

上記実施例１、２と比較する為、図７に示した従来のフェルール型光部品を用い併せ評価した。図７のフェルール型光部品は、Δ＝０．０１又は０．００２７、Ｐ＝０．４８、長さ２．２ｍｍ、又は１ｍｍのＧＩファイバにモードフィールド径約１０μｍ、長さ１．８ｍｍ又は２ｍｍのシングルモードファイバを融着接続し、それをフェルール１内に接着剤により固定実装、両端を所定の平面、又は球面状に研磨したものである。本発明のフェルール型光部品と比較すると、シングルモードファイバ分の長さが長く、片側端面がシングルモードファイバであることが異なる。

（従来例１）
Δ＝０．０１、Ｐ＝０．４８、長さ２．２ｍｍのＧＩファイバ２に長さ１．８ｍｍのシングルモードファイバ１４を融着接続、それを外径１．２５ｍｍ、長さ４ｍｍに両端を平面研磨したフェルール１内に固定実装、両側に実施例１と同様な０．５ｍｍ角、厚さ約０．０５ｍｍのポリイミド製のバンドパスフィルタを装着した。それにより、長さ１７ｍｍ、外径２．５ｍｍ（保護ケース込み）のインライン型光モジュールを実現した。光学特性としては、挿入損失１．５ｄＢ、反射減衰量３５ｄＢのものである。

（従来例２）
Δ＝０．０１、Ｐ＝０．４８、長さ２．２ｍｍのＧＩファイバ２に長さ１．８ｍｍのシングルモードファイバ１４を融着接続し用い、外径１．２５ｍｍ、長さ４ｍｍの片側を球面研磨したフェルール１内に固定実装した。実施例２で用いた光モジュール内に光学素子７の光アイソレータ無しで、出力用ファイバを固定実装したフェルール１と接続した。その時の出力は、２．７ｍＷである。しかし実施例２の場合と同様、光学素子７として厚さ９５０μｍの光アイソレータを接続したものである。実施例２に比較して、光学素子の長さは、シングルモードファイバ分で３ｍｍ長く、結合効率は、４０％程度落ちている。レンズ機能無いシングルモードファイバ１４間で厚さ９５０μｍの光学素子７を接続するからである。

表１は、以上の結果をまとめたものである。

表１の結果に示されているように、本発明によるフェルール型光部品５を用いる事により従来例に比較し、シングルモードファイバが無い分、長さが短くなり、両端がレンズ面であることから光学素子を介しても結合効率の高い汎用性のある結合系が容易に構成できる。それにより小型・高効率な光モジュールを実現することができる。

本発明のフェルール型光部品の実施形態を示した断面図で（ａ）両端面４を平面状に構成したもの、（ｂ）は片側端面を傾斜角Θで平面研磨したもの、（ｃ）は片側端面を半径Ｒの球状に研磨したもの、（ｄ）は、片側端面を楔状に加工したものである。 本発明で使用するＧＩファイバ内の光線追跡を示した模式図である。 GIファイバのΔ値に対するピッチＰと焦点距離ｆとの関係を示した模式図である。 本発明のフェルール型光部品の片側端に光学素子を接合した場合の実施形態の断面で、（ａ）は光学素子を平面側端面に接合固定したもの、（ｂ）GIファイバ内に位相格子を構成したもの、（ｃ）はその位相格子部の詳細を示したもの、（ｄ）はスペクトラム特性を示すグラフである。 本発明のフェルール型光部品内に使用する光ファイバを製造するプロセスを示した工程図である。 本発明のフェルール型光部品を用いた光モジュールの構成の断面図で、（ａ）は、内部の光学素子を接続するインライン型光モジュール、（ｂ）は平面実装型の半導体レーザモジュールである。 従来のフェルール型光部品を示した断面図である。

符号の説明

１．フェルール
２．ＧＩファイバ
３．固定部材
４．端面
５．フェルール型光部品
６．クラッド
７．光学素子
８．位相格子
９．半導体レーザ
１０．スリーブ
１１．コア
１２．半導体レーザ
１３．光線
１４．シングルモードファイバ
１５．基板
１６．フレネル反射光

Claims (5)

1. クラッド部を露出したグレーテッドインデックスファイバをフェルールの貫通孔内に実装固定したフェルール型光部品において、上記グレーテッドインデックスファイバの長さは該グレーテッドインデックスファイバに入射した光が収束光として出射可能な範囲であり、かつグレーテッドインデックスファイバの両端面が上記フェルールの両端面と同一面であることとしたことを特徴とするフェルール型光部品。
2. 上記フェルールの一方端面が球面状、楔状、傾斜面状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のフェルール型光部品。
3. 上記フェルールの他方端面に光学素子を実装したことを特徴とする請求項２に記載のフェルール型光部品。
4. 上記グレーテッドインデックスファイバ内に位相格子を光軸に対して斜めに構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフェルール型光部品。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のフェルール型光部品をスリーブ内又は基板上に実装固定し、他のフェルール端との接続を可能にしたことを特徴とする光モジュール。

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